2025年大學(xué)《大氣科學(xué)》專業(yè)題庫——氣候大氣預(yù)測的關(guān)鍵技術(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.氣候可預(yù)報性2.數(shù)值天氣預(yù)報模式3.數(shù)據(jù)同化4.集合預(yù)報5.氣候變率二、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述地面氣象觀測站網(wǎng)在氣候監(jiān)測中的主要作用。2.比較全球大氣模式（GCM）和區(qū)域氣候模式（RCM）在分辨率、應(yīng)用范圍和主要挑戰(zhàn)方面的異同。3.解釋什么是模式初值誤差，并簡述其主要來源。4.簡要說明集合卡爾曼濾波（EnKF）在數(shù)據(jù)同化中的基本思想。5.列舉并簡述至少三種常用的數(shù)值天氣預(yù)報評分指標(biāo)。三、論述題（每題10分，共30分）1.論述大氣觀測技術(shù)在提高氣候預(yù)測能力方面的重要性，并分析當(dāng)前觀測系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。2.詳細論述數(shù)據(jù)同化技術(shù)如何克服單純使用數(shù)值模式進行長期預(yù)測的局限性。3.結(jié)合實例，論述集合預(yù)報在提高天氣預(yù)報（特別是極端天氣事件預(yù)報）可靠性方面的優(yōu)勢及其局限性。試卷答案一、名詞解釋1.氣候可預(yù)報性：指對大氣或海洋狀態(tài)進行預(yù)報的可信度隨預(yù)報時效增加而衰減的程度。它反映了由于混沌效應(yīng)和觀測誤差累積，長期氣候預(yù)測所能達到的極限精度。**解析思路：*理解氣候可預(yù)報性核心是“長期預(yù)測”的“精度極限”，與混沌理論和誤差累積有關(guān)。回答需包含時間尺度（長期）和本質(zhì)（精度極限/衰減）。2.數(shù)值天氣預(yù)報模式：基于流體力學(xué)、熱力學(xué)等大氣物理定律，使用計算機求解描述大氣運動和狀態(tài)的偏微分方程組，從而模擬大氣演變過程并制作天氣預(yù)報的數(shù)學(xué)工具。**解析思路：*抓住核心“數(shù)學(xué)工具”，說明其工作原理“求解方程組”，并點明依據(jù)的“物理定律”和目的“模擬大氣演變/做預(yù)報”。3.數(shù)據(jù)同化：一種將觀測信息融入數(shù)值模式狀態(tài)的一種技術(shù)，旨在修正模式的初始條件或改進模式參數(shù)，以獲得比單純使用模式積分更準(zhǔn)確、更接近真實世界的大氣（或海洋）狀態(tài)。**解析思路：*理解其核心是“融合觀測與模式”，目的在于“改進模式狀態(tài)/初始條件/參數(shù)”，最終效果是“更準(zhǔn)確的狀態(tài)”。4.集合預(yù)報：通過對初始條件進行多組微小的、隨機的擾動，運行多個獨立或近似的數(shù)值模式，產(chǎn)生一組“集合成員”預(yù)報，用以定量描述預(yù)報結(jié)果的不確定性，特別是概率性。**解析思路：*關(guān)鍵在于“多組擾動”、“多個模式”、“集合成員”，核心目的是“描述不確定性/概率”。5.氣候變率：指大氣系統(tǒng)在時間尺度大于天的變化，其變化幅度通常小于氣候平均狀態(tài)（如長期平均溫度），但可能包含重要的季節(jié)性、年際、年代際等周期性或隨機波動。**解析思路：*區(qū)分于“氣候平均狀態(tài)”，強調(diào)“時間尺度大于天”和“變化幅度相對較小”，并提及可能的尺度類型（季節(jié)、年際等）。二、簡答題1.簡述地面氣象觀測站網(wǎng)在氣候監(jiān)測中的主要作用。*答案要點：提供氣候基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；覆蓋全球，實現(xiàn)時空連續(xù)觀測；監(jiān)測基本氣象要素（氣溫、降水、氣壓、濕度、風(fēng)等）的長期變化趨勢；為模式初始化和驗證提供關(guān)鍵地面信息；支持局地氣候特征分析。**解析思路：*從“基準(zhǔn)數(shù)據(jù)”、“時空覆蓋”、“要素監(jiān)測”、“長期趨勢”、“模式應(yīng)用”、“局地分析”等多個維度闡述其作用，突出其基礎(chǔ)性和全面性。2.比較全球大氣模式（GCM）和區(qū)域氣候模式（RCM）在分辨率、應(yīng)用范圍和主要挑戰(zhàn)方面的異同。*答案要點：相同點：都基于相同的物理定律；都用于模擬大氣環(huán)流和氣候。不同點：分辨率：GCM低（通常幾十到幾百公里），RCM高（幾公里到幾十公里）。應(yīng)用范圍：GCM覆蓋全球，RCM針對特定區(qū)域。主要挑戰(zhàn)：GCM：分辨率導(dǎo)致物理過程參數(shù)化復(fù)雜且誤差大，計算量巨大；RCM：邊界條件處理困難，對驅(qū)動模式（GCM輸出）的誤差敏感，計算量也很大。**解析思路：*先答“相同”，再重點對比“不同”的三個方面（分辨率、范圍、挑戰(zhàn)），并分別闡述各自的主要特點和難點。3.解釋什么是模式初值誤差，并簡述其主要來源。*答案要點：模式初值誤差是指模式初始狀態(tài)（由觀測數(shù)據(jù)提供或模式自身生成）與大氣真實狀態(tài)之間的差異。主要來源：觀測誤差（測量不準(zhǔn)、空間和時間分辨率限制）；觀測資料在用于模式初始場制作過程中的誤差（質(zhì)量控制、插值、同化等環(huán)節(jié)引入）；模式本身不能完全精確描述真實大氣狀態(tài)而引入的系統(tǒng)性偏差或內(nèi)在隨機性。**解析思路：*定義要清晰（“差異”），來源要分類（觀測、處理過程、模式本身），覆蓋主要方面即可。4.簡要說明集合卡爾曼濾波（EnKF）在數(shù)據(jù)同化中的基本思想。*答案要點：EnKF將卡爾曼濾波的框架擴展到集合形式。它不僅利用觀測修正單個模式狀態(tài)，而是利用觀測修正一組模式集合的狀態(tài)和誤差協(xié)方差。通過比較觀測與集合成員的偏差，估計分析誤差，并用此誤差來更新集合成員，從而得到更精確的分析場和更可靠的不確定性估計。**解析思路：*核心是“集合形式”，關(guān)鍵在于“用觀測修正集合”以及“估計誤差并更新集合”，目的是“改進狀態(tài)和不確定性”。5.列舉并簡述至少三種常用的數(shù)值天氣預(yù)報評分指標(biāo)。*答案要點：1.均方根誤差（RMSE）：衡量預(yù)報與實況之間絕對誤差的平均大小，對大誤差更敏感。2.均方誤差（MSE）：RMSE的平方，同樣衡量誤差大小。3.相對技巧評分（TS）或預(yù)報技巧評分：比較預(yù)報準(zhǔn)確性與氣候平均值（或persistence）準(zhǔn)確性的差異，正值表示技巧。4.連續(xù)概率預(yù)報評分（CRPS）：綜合考慮預(yù)報偏差和散度，尤其適用于概率預(yù)報，能較好地評估預(yù)報不確定性。**解析思路：*列舉指標(biāo)名稱，并簡要說明其衡量內(nèi)容或特點。列出三種即可，CRPS雖然常用于概率評分，但也可用于評估確定性預(yù)報的誤差和不確定性。三、論述題1.論述大氣觀測技術(shù)在提高氣候預(yù)測能力方面的重要性，并分析當(dāng)前觀測系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。*答案要點：重要性：觀測是氣候預(yù)測的基石，為模式提供準(zhǔn)確的初始條件和邊界條件，是驗證模式模擬結(jié)果、改進模式參數(shù)和參數(shù)化方案、評估預(yù)測技巧的基礎(chǔ)。沒有高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)，氣候預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性將大打折扣。高質(zhì)量觀測還能幫助識別氣候信號、理解氣候變率和變化機制。挑戰(zhàn)：觀測覆蓋不均（尤其海洋、極地、高層大氣）、觀測精度和分辨率有限、觀測系統(tǒng)老化與維護困難、觀測數(shù)據(jù)同化技術(shù)的局限、觀測資料獲取成本高昂、如何融合多源異構(gòu)觀測數(shù)據(jù)等。**解析思路：*分兩大部分：先系統(tǒng)闡述觀測的“作用/重要性”（對初始條件、模式驗證、技巧評估、理解氣候等的貢獻），再分析“當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)”（覆蓋、精度、技術(shù)、成本、融合等方面）。2.詳細論述數(shù)據(jù)同化技術(shù)如何克服單純使用數(shù)值模式進行長期預(yù)測的局限性。*答案要點：單純使用數(shù)值模式積分，由于初始條件誤差隨時間指數(shù)增長（混沌效應(yīng)）和模式本身存在系統(tǒng)性偏差，長期預(yù)報準(zhǔn)確率會迅速下降，最終失去參考價值。數(shù)據(jù)同化通過將實時觀測信息“注入”模式，可以有效：1.減小初始條件誤差，提供更接近真實狀態(tài)的初始場。2.修正模式系統(tǒng)性偏差和漂移，使模式狀態(tài)更接近真實。3.產(chǎn)生“分析場”，作為后續(xù)短期預(yù)報的更優(yōu)起點。4.更新模式誤差統(tǒng)計信息，提高預(yù)報集合的不確定性描述能力。通過這些方式，數(shù)據(jù)同化顯著延長了具有可用性（skillful）的氣候預(yù)測或天氣預(yù)報的時效。**解析思路：*先點明“單純模式預(yù)報的局限”（誤差累積、偏差），再詳細說明“數(shù)據(jù)同化如何克服”（具體機制：修正初始誤差、修正模式偏差、提供起點、更新誤差統(tǒng)計），最后總結(jié)其核心效果（延長可用時效）。3.結(jié)合實例，論述集合預(yù)報在提高天氣預(yù)報（特別是極端天氣事件預(yù)報）可靠性方面的優(yōu)勢及其局限性。*答案要點：優(yōu)勢：1.提供概率預(yù)報：集合預(yù)報輸出一組可能的預(yù)報結(jié)果，可以給出事件發(fā)生的概率（如某地氣溫超過30℃的概率為70%），比單一的確定性預(yù)報更全面地反映不確定性。2.評估和量化不確定性：通過集合成員的差異，可以定量估計預(yù)報的不確定性大小。這對風(fēng)險評估至關(guān)重要。3.提高極端事件預(yù)報能力：對于極端天氣（如強臺風(fēng)、寒潮、大暴雨），雖然單次預(yù)報可能不準(zhǔn)，但集合成員中可能出現(xiàn)與實況相似或更極端的情況，通過集合平均或統(tǒng)計方法可以提高提前預(yù)警的可能性（例如，若多數(shù)集合成員預(yù)示強降水，則可高概率發(fā)布預(yù)警）。實例：集合預(yù)報在颶風(fēng)路徑和強度預(yù)報、強對流天氣預(yù)警等方面已顯示出其價值。局限性：1.集合成員間相關(guān)性可能過高：若擾動方法失效，集合成員可能過于相似，導(dǎo)致概率預(yù)報失真。2.集合數(shù)不足